Was ist Schalenformen: Verfahren, Materialien und Anwendungen

Sandguss ist ein altes Gussverfahren. Geschmolzenes Metall wird in eine Form gegossen, wo es abkühlt und Gestalt annimmt. Das fertige Produkt entspricht jedoch nicht immer sofort den genauen Anforderungen. Daher ist es oft notwendig, es mehrmals zu schleifen, um die richtige Größe und Oberflächenbeschaffenheit zu erreichen. Der Schalenguss ist ein fortschrittlicheres Gussverfahren, das diese Probleme löst.

Beim Maskenformverfahren wird kein loser Sand verwendet. Stattdessen wird eine dünne, harte Schale aus Sand und einem duroplastischen Harzbinder hergestellt. Diese Schale ist maßgenauer und hat eine glattere Oberfläche. Eine zusätzliche Bearbeitung ist daher nicht erforderlich. Dieser Artikel beschreibt das Maskenformverfahren und seine Funktionsweise. Außerdem erfahren Sie mehr über die dafür geeigneten Materialien und seine vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten.

Was ist Shell Moulding?

Das Schalenformen, auch als Croning-Verfahren bekannt, ist nach dem deutschen Ingenieur Johannes Croning benannt, der das Verfahren erfand. Croning widmete sein Leben der Verbesserung von Gussverfahren und -maschinen. Eine seiner wichtigsten Errungenschaften war die Erfindung des Schalenformens, das die Herstellung präziserer Teile ermöglichte.

Beim Maskenformverfahren werden dünnwandige Schalen aus Sand und duroplastischem Harzkleber als Formen verwendet, die nach Gebrauch entsorgt werden können. Im Gegensatz zu den meisten Sandformen sind diese Schalen robust und werden mit Harz zusammengehalten. Darüber hinaus verbessern sie die Präzision und Oberflächenglätte der Teile.

Wie lange dauert die Fertigstellung eines Schalengusses?

Die Herstellung komplexer Formen kann lange dauern. Sobald die Form platziert ist, ist das Abkühlen der zeitaufwändigste Schritt. Wie viele Teile Sie pro Stunde produzieren können, hängt von Ihren Automatisierungsmethoden sowie der Größe und Komplexität der Form ab. Sie könnten 5–50 Teile pro Stunde produzieren.

Wie viel kostet das Schalenformen?

In den meisten Fällen kostet das Maskenformen zwischen 0,25 und 0,30 USD/kg. Da harzinjizierter Sand teurer ist als normaler Formsand, ist das Maskenformen teurer als das normale Sandformen.

Ist das Schalenformen teurer als das Druckgießen?

Die relativen Kosten hängen vom Produktionsvolumen ab. Bei kleinen Stückzahlen ist das Maskenformen günstiger als das Druckgießen. Denn Druckguss erfordert teure Formen, die nur für die Herstellung dieser Art von Teilen verwendet werden können. Im Gegensatz dazu benötigt die Form für das Maskenformen nur Sand und Harz.

Druckguss hingegen wird mit steigender Stückzahl günstiger. Dies liegt daran, dass die hohen Kosten der Form auf eine größere Stückzahl verteilt werden. Beim Schalenformguss hingegen werden jedes Mal neuer Sand und Harz benötigt.

Um mehr über die Kosten des Druckgusses sowie Preisdaten zu erfahren, besuchen Sie die Kosten für Metalldruckguss Artikel.

Wie werden Schalenformen hergestellt?

Das Schalenformgussverfahren ist zeitaufwändiger als das Sandformgussverfahren. Dies liegt daran, dass vor dem Gießen mehr Vorbereitungen erforderlich sind. Der Ablauf dieses Gießverfahrens ist wie folgt:

Schritt 1: Bearbeitung des Metallmusters

Für den Guss wird ein Metallmodell benötigt, das Schwindungs- und Bearbeitungszugaben berücksichtigt. Es ist in der Regel spanend gefertigt und besteht aus zwei Hälften. Gussformen werden üblicherweise aus Eisen und Stahl hergestellt. Für reaktive Metalle ist auch Graphit eine Option.

Schritt 2: Herstellung der Form

Der erste Schritt besteht darin, die Metallform auf eine Temperatur von 230–340 °C (450–650 °F) zu erhitzen. Dies ist der wichtigste Schritt im Prozess. Anschließend wird Calciumstearat verwendet, um zu verhindern, dass die Sandschale an der Form kleben bleibt.

Das gesamte Modell wird in eine mit feinem Quarzsand und duroplastischem Phenolharz gefüllte Kippbox gehängt. Anschließend wird die Kippbox umgedreht, sodass die Sand-Harz-Mischung das heiße Modell bedeckt. Durch die Hitze des Metallmodells härtet die Mischung aus. Es bildet sich eine harte Schale von etwa 9–20 mm Dicke.

Nach einer Weile werden Modell und Schachtel umgedreht, sodass der lose, noch nicht ausgehärtete Sand herausfällt. Nur die ausgehärtete Schale bleibt nun am Modell haften. Schließlich wird die Schale zum Trocknen und Aushärten in den Ofen gegeben. Da wir eine zweiteilige Schale benötigen, wird die andere Hälfte der Form nach dem gleichen Verfahren hergestellt.

Erfahren Sie mehr über Entwurf von Druckgussformen und holen Sie sich Ratschläge zum Formendesign.

Schritt 3: Zusammenbau der Formen

Nachdem Sie beide Formen nach dem gleichen Verfahren hergestellt haben, können Sie diese zusammensetzen. Die Befestigung erfolgt durch Klemmen oder Kleben.

Schritt 4: Gießvorgang

Der Techniker kann die Schale in eine Gießhülse legen oder mit Sand, Kies oder Metallschrot bedecken. Dies verstärkt die Schale und macht sie stabiler. Anschließend wird das geschmolzene Metall in die Form gegossen. Dies kann von Hand oder maschinell erfolgen.

Schritt 5: Abkühlen und Entfernen des Gussteils

Nach einer Weile kühlt das Metall von selbst ab. Sobald es ausgehärtet ist, kann der Arbeiter es zerbrechen oder die Form öffnen, um den Guss zu entnehmen. Anschließend wird der Guss je nach Aussehen gereinigt oder nachbearbeitet.

Materialien, die für den Schalenguss verwendet werden können

Wir verwenden im Schalenformverfahren eine Vielzahl von Materialien, um unterschiedlichen industriellen Anforderungen gerecht zu werden. Das Verfahren unterstützt sowohl Eisen- als auch Nichteisenmetalle und ist somit ein vielseitiges Gussverfahren.

Eisenmetalle

Eisenmetalle werden aufgrund ihrer Festigkeit und Haltbarkeit häufig im Schalenformverfahren verwendet. Dazu gehören verschiedene Stahllegierungen.

• Kohlenstoffstahl: Kohlenstoffstahl, eine Eisenlegierung mit weniger als 10,5%-Legierungselementen, wird häufig verwendet. Güten wie C20, C25, C30 und C45 sind aufgrund ihrer Zerspanbarkeit und Verschleißfestigkeit beliebt.
• Edelstahl: Edelstahl mit mindestens 10,5% Chrom ist korrosionsbeständig. Zu den Sorten gehören ferritischer, martensitischer, austenitischer, ausscheidungsgehärteter und Duplex-Edelstahl.
• Legierter Stahl: Legierte Stahlsorten wie 20Mn, 45Mn und andere werden aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften verwendet. Sie eignen sich für Anwendungen, die hohe Festigkeit und Zähigkeit erfordern.

Nichteisenmetalle

Auch Nichteisenmetalle sind mit dem Schalenformverfahren kompatibel und bieten Vorteile wie geringeres Gewicht und Korrosionsbeständigkeit.

• Aluminiumlegierungen: Aluminiumlegierungen wie ASTM A356, ASTM A413 und ASTM 360 werden verwendet, wenn das Gewicht eine Rolle spielt. Sie bieten ein gutes Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Gewicht.
• Kupfer und KupferlegierungenKupfer und seine Legierungen werden aufgrund ihrer Leitfähigkeit, Bearbeitbarkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzt. Alle Kupferlegierungen außer Messing eignen sich für das Schalenformen.

Andere kompatible Metalle

Je nach den spezifischen Anforderungen des Gussteils können auch andere Metalle verwendet werden. Die Wahl des Metalls hängt von Faktoren wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Gewicht ab.

Aufgrund der Vielfalt der für das Schalenformen verfügbaren Materialien ist es eine bevorzugte Methode zur Herstellung komplexer Teile mit hoher Präzision.

• Kohlenstoffstahlsorten (C20, C25, C30, C45) werden aufgrund ihrer Bearbeitbarkeit und Verschleißfestigkeit verwendet.
• Edelstahlsorten sind korrosionsbeständig und werden in rauen Umgebungen eingesetzt.
• Legierte Stahlsorten bieten hohe Festigkeit und Zähigkeit.
• Aluminiumlegierungen werden aufgrund ihres geringen Gewichts ausgewählt.
• Kupfer und Kupferlegierungen werden wegen ihrer Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzt.

Vorteile des Schalenformens

Das Schalenformen wird gerne verwendet, da es eine Vielzahl von Materialien verarbeiten kann. Darüber hinaus kann es die Genauigkeit und Oberflächengüte der bearbeiteten Teile verbessern.

Hier sind einige Vorteile des Schalenformgussverfahrens:

• Präzisere Abmessungen: Schalenformgussprodukte haben sehr präzise Abmessungen. Dies liegt daran, dass die erstarrte Schale erhitzt und unter Druck gesetzt wird, um ihre Form zu halten. Mit diesem Verfahren hergestellte Teile können Toleranzen von nur ±0,25 mm aufweisen.
• Bessere OberflächenbeschaffenheitAnders als beim Sandguss trifft das flüssige Metall auf eine trockene, geschlossene Schale mit glatter Oberfläche und ohne Poren. Die Oberflächenbeschaffenheit des Gussteils ist daher besser und weist weniger Defekte auf, idealerweise bis zu 2,5 Mikrometer.
• Kurze Lieferzeiten: Schalenformen können immer wieder mit dem gleichen Ergebnis verwendet werden. Dies verkürzt nicht nur die Wartezeiten, sondern macht es auch kostengünstiger, mehr vom gleichen Produkt herzustellen.
• Reduzierte Gasdefekte: Es wird mehr Bindemittel verwendet als bei anderen Verfahren. Trotzdem bieten dünnwandige Hohlkerne einen natürlichen Kanal für die Luftzirkulation. Gröbere Sandkörner in der Schalenform erleichtern den Luftdurchtritt und sorgen so für ein besseres Gussergebnis.
• Automatisierung: Das Maskenformgussverfahren lässt sich leicht automatisieren und eignet sich für die gleichzeitige Herstellung großer Produktmengen. Es gibt Maschinen, die alle wichtigen Arbeiten übernehmen. Zum Beispiel das Erhitzen der Metallformen, die Herstellung der Maskenformen und deren Zusammenfügen.
• Unterstützt eine breite Palette von Materialien: Das Schalenformen kann zur Herstellung von Eisen- und Nichteisenmetallen verwendet werden. Daher ist es für viele verschiedene Materialien anwendbar.

Nachteile des Schalenformens

Alles hat seine Vor- und Nachteile. Hier sind die Nachteile des Schalenformens:

• Handhabung mit eingeschränktem Gewicht: Aufgrund der sehr dünnen Wandstärke von Schalenformen können diese nur mittelgroße und schwere Teile aufnehmen. Das Verfahren kann Teile mit einem Gewicht zwischen 30 Gramm und 10 Kilogramm (25 Pfund) verarbeiten.
• Teures Harz: Das für den Maskenformguss verwendete duroplastische Phenolharz ist teurer als das für den herkömmlichen Sandguss verwendete Bindemittel.
• Hohe Ausrüstungskosten: Der Prozess erfordert verschiedene Heiz- und Aushärtungseinheiten, was ihn teurer macht. Bei einer automatisierten Variante sind die Investitionskosten noch höher.

Anwendungen des Schalenformens

Die Schalenformtechnologie ermöglicht die schnelle Herstellung präziser Metallteile. Daher wird das Gießverfahren in vielen Bereichen wie der Medizin, der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie eingesetzt.

Durch die Zugabe von Harz wird die Oberfläche des Teils glatter, sodass keine aufwändige Nachbearbeitung erforderlich ist. Dadurch wird der Zeit- und Arbeitsaufwand reduziert, was wiederum die Gesamtproduktionskosten senkt. Deshalb ist das Schalenformen die beste Methode zur Herstellung kleiner und mittelgroßer Metallteile.

Spezifische Anwendungen des Schalenformens in verschiedenen Branchen:

• Automobilindustrie: Motorblöcke, Zylinderköpfe, Nockenwellen, Kurbelwellen, Getriebegehäuse
• Luft- und Raumfahrt: Turbinenschaufeln, Getriebe
• Industriemaschinen: Zahnräder, Ventile, Pumpengehäuse, Hebelarme
• Elektrische Ausrüstung: Elektrische Systemgehäuse und Komponenten
• Öl und Gas: Ventilkörper, kundenspezifische Präzisionsteile

Schalenformen und andere Gussverfahren

Formen ist ein weiter gefasster Begriff, und das Schalenformen ist eines der Formungsverfahren. Bei diesem Verfahren werden geschmolzenes und erstarrtes Material in einer Form geformt. Es gibt weitere, sehr ähnliche Verfahren wie Sandguss, Druckguss und Feinguss.

Der Unterschied zwischen Schalenformung und Sandguss

Es gibt zwei Verfahren zur Herstellung von Objekten mit Sandformen: Sandguss und Maskenformguss. Die Verfahren zur Herstellung der Formen unterscheiden sich bei beiden Verfahren. Beim Sandguss bildet der eingefüllte Sand selbst die Form. Beim Maskenformguss ist die Form eine dünne Schale aus Sand und Harz.

Da die Sandform locker ist, ist sie anfälliger für Oberflächenfehler und Maßfehler. Die Schalenform hingegen ist dünn und starr, und die damit hergestellten Produkte sehen ästhetischer aus. Sie ist zudem präziser.

Der Unterschied zwischen Schalenformung und Feinguss

Beim Gießen ist Feinguss nicht dasselbe wie Schalenformung. Beim Feinguss wird immer ein Wachsmodell verwendet. Das Wachsmodell wird zu einer baumartigen Struktur (Wachsguss) zusammengesetzt, mit Keramikschlicker bedeckt und anschließend geschmolzen, um den Formhohlraum zu bilden.

Das bedeutet, dass Design und Form aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Die meisten Schalenformen bestehen aus Metall. Beim Feinguss werden Wachsformen verwendet. Beim Feinguss kommt feuerfeste Keramik zum Einsatz, beim Schalenformen Sandformen.

Einer der Vorteile des Schalenformens ist die gute Oberflächengüte. Die Oberflächengüte von Feingussprodukten ist jedoch sogar noch besser und erreicht bis zu 1,3 Mikrometer. Yonglihao Machinery bietet Ihnen Qualität Feinguss-Dienstleistungen.

Der Unterschied zwischen Schalenformung und Druckguss

Schalenformung und Druckguss sind beides Metallgussverfahren. Der Hauptunterschied zwischen ihnen liegt in der Herstellung und Verwendung der Form. Beim Druckguss wird geschmolzenes Metall mithilfe einer permanenten Metallform unter hohem Druck in den Formhohlraum gepresst. Beim Schalenformen hingegen wird eine Schalenform aus Sand und Harz verwendet, die nur einmal verwendet werden kann.

Beim Schalenformen werden nicht die hohen Drücke des Druckgusses benötigt. Stattdessen wird die Festigkeit des Harzes genutzt, um die Schale zu verbinden und präzise Ergebnisse zu erzielen. Druckguss eignet sich zudem nur für einfache Teile aus leicht schmelzbaren Metallen.

Der Unterschied zwischen Schalenformung und Spritzguss

Ein weiteres präzises Formverfahren ist das Spritzgießen. Es wird jedoch hauptsächlich zur Herstellung von Duplikaten von Kunststoffartikeln verwendet. Bei diesem Verfahren wird geschmolzener Kunststoff unter hohem Druck in eine Metallform gepresst. Anschließend kühlt der Kunststoff ab und härtet aus, bis er seine endgültige Form annimmt.

Der Hauptunterschied zwischen Schalenformung und Spritzguss liegt in der Art des verwendeten Materials und der Herstellungsmethode. Beim Schalenformverfahren wird geschmolzenes Metall in Sandformen gegossen. Beim Spritzgussverfahren hingegen wird Kunststoff in feste, dauerhafte Formen gepresst.

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